【摘 要】
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近年来,具有纳米结构的介孔金属氧化物(Metal oxide,MO)半导体材料在催化、能量转换和储存、传感和敏化太阳能电池等应用领域受到广泛的关注。特别是,一维纳米纤维(Nanofibers,NFs)材料由于其较大长径比,可以提供高效的质子/电子传输速率,具有更重要的研究意义。然而,由于其合成方法的限制,制备兼具有介孔结构和纤维形态的一维MO材料却鲜有报道。因此,开发有效合成一维介孔MO NFs材
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近年来,具有纳米结构的介孔金属氧化物(Metal oxide,MO)半导体材料在催化、能量转换和储存、传感和敏化太阳能电池等应用领域受到广泛的关注。特别是,一维纳米纤维(Nanofibers,NFs)材料由于其较大长径比,可以提供高效的质子/电子传输速率,具有更重要的研究意义。然而,由于其合成方法的限制,制备兼具有介孔结构和纤维形态的一维MO材料却鲜有报道。因此,开发有效合成一维介孔MO NFs材料的方法显得极为迫切与重要。本文介绍了一种静电纺丝束流限域单分子胶束自组装策略制备一系列介孔MO NFs。制得的介孔MO NFs具有广阔的应用前景,本文选用其中两种制得的介孔纤维作为示例,分别用于可见光光催化降解四环素和锂硫电池正极,均表现出优异的性能。具体研究结果如下:(1)采用原子转移自由基聚合(Atom transfer radical polymerization,ATRP)的方法,21臂溴化环糊精作为引发剂,苯乙烯(Styrene,St)、丙烯酸叔丁酯(tert-butyl acrylate,t BA)作为单体,溴化亚铜(Cu Br)、N,N,N’,N’’,N’’-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)作为催化体系合成β-环糊精-聚苯乙烯-block-聚丙烯酸叔丁酯-溴(β-CD-PS-b-Pt BA-Br)这一中间产物;通过点击化学将聚乙二醇单甲醚(Poly(ethylene oxide)methyl ether,m PEO)嵌段接到中间产物上形成β-环糊精-聚苯乙烯-block-聚丙烯酸叔丁酯-block-聚氧化乙烯(β-CD-PS-b-Pt BA-b-PEO),水解后得到最终产物β-环糊精-聚苯乙烯-block-聚丙烯酸-block-聚氧化乙烯(β-CD-PS-b-PAA-b-PEO),凝胶渗透色谱(Gel permeation chromatography,GPC)测得相对分子质量~439000,多分散系数~1.33。(2)以β-CD-PS-b-PAA-b-PEO为模板剂,静电纺丝技术为辅助,开发了合成介孔MO NFs(如Ti O2、WO3、Zr O2、Ce O2)的通用方法。选用介孔Ti O2纤维(mesoporous Ti O2 nanofiber,m-TNF)作为示例,纤维具有大比表面积(145.59 m~2 g-1)和均匀孔径(~10.8 nm),然后通过光沉积的方法得到Pt负载的m-TNF(m-TNF/Pt)。将m-TNF/Pt、m-TNF和商用P25 Ti O2作为对比,在可见光照射的情况下进行光催化降解四环素(Tetracycline,TC)测试,m-TNF/Pt、m-TNF均表现出优于P25的性能,其中m-TNF/Pt性能尤为突出,100 min光降解TC效率达到了81.4%,并且具有优异的循环稳定性。(3)这种方法还可以拓展到制备介孔金属氧化物复合纤维(如Ti O2/WO3、Ti O2/Zr O2、Ti O2/Ce O2),所得材料还是具有均匀介孔的纤维结构。选用介孔Ti O2/WO3复合纤维(mesoporous Ti O2/WO3nanofiber,m-TWNF)作为示例,其比表面积为118.3 m~2 g-1,孔径为~10.8 nm,将m-TWNF与硫,导电碳复合制成m-TWNF@S/C用于正极材料,0.2 A g-1下测得其初始放电容量为1145 m Ah g-1,循环200次保持525 m Ah g-1的容量,明显优于Ti O2制得的正极材料。
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